Номер 2, страница 114 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

2*. На основе представлений об электронных орбиталях поясните, каково строение функциональной группы альдегидов и чем оно отличается от строения функциональной группы спиртов.

Решение

Строение функциональной группы альдегидов (-CHO)

Функциональная группа альдегидов называется карбонильной (или альдегидной) и имеет строение -CHO. Центральным в ней является атом углерода, связанный двойной связью с атомом кислорода и одинарными связями с атомом водорода и углеводородным радикалом (или вторым атомом водорода в формальдегиде).

Атом углерода в карбонильной группе находится в состоянии $sp^2$-гибридизации. Это означает, что одна s- и две p-орбитали атома углерода смешиваются, образуя три гибридные $sp^2$-орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом примерно 120° друг к другу. Оставшаяся одна негибридная p-орбиталь перпендикулярна этой плоскости.

• Одна $sp^2$-орбиталь углерода перекрывается с $sp^2$-орбиталью атома кислорода, образуя прочную $\sigma$-связь C-O.
• Вторая $sp^2$-орбиталь углерода перекрывается с s-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь C-H.
• Третья $sp^2$-орбиталь углерода образует $\sigma$-связь с углеродным атомом радикала.

Негибридные p-орбитали атомов углерода и кислорода перекрываются сбоку, образуя вторую, менее прочную $\pi$-связь. Таким образом, двойная связь C=O состоит из одной $\sigma$- и одной $\pi$-связи. Атом кислорода также находится в $sp^2$-гибридизации: одна гибридная орбиталь участвует в $\sigma$-связи, две другие содержат неподеленные электронные пары, а негибридная p-орбиталь образует $\pi$-связь. Вся альдегидная группа C(H)=O является плоской (планарной).

Из-за большей электроотрицательности кислорода по сравнению с углеродом двойная связь C=O сильно поляризована. Электронная плотность смещена к атому кислорода, на котором возникает частичный отрицательный заряд ($\delta-$), а на атоме углерода — частичный положительный заряд ($\delta+$).

Строение функциональной группы спиртов (-OH)

Функциональная группа спиртов — гидроксильная группа (-OH), связанная с насыщенным атомом углерода. В отличие от альдегидов, ключевым гетероатомом здесь является кислород.

Атом кислорода в гидроксильной группе находится в состоянии $sp^3$-гибридизации. Четыре гибридные $sp^3$-орбитали направлены к вершинам тетраэдра.

• Одна $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с $sp^3$-орбиталью атома углерода, образуя $\sigma$-связь C-O.
• Вторая $sp^3$-орбиталь кислорода перекрывается с s-орбиталью атома водорода, образуя $\sigma$-связь O-H.
• Две оставшиеся $sp^3$-орбитали заняты неподеленными электронными парами.

Из-за наличия двух неподеленных пар электронов, которые отталкиваются от связывающих пар, геометрия группы не является линейной. Молекулярный фрагмент C-O-H имеет угловое (изогнутое) строение. Валентный угол C-O-H близок к тетраэдрическому и составляет примерно 109° (например, 108.9° в метаноле). В функциональной группе спиртов присутствуют только одинарные $\sigma$-связи.

Отличия в строении функциональных групп альдегидов и спиртов

На основе представлений об электронных орбиталях можно выделить следующие ключевые отличия:

1. Гибридизация и геометрия: Атом углерода в альдегидной группе находится в $sp^2$-гибридизации, что обуславливает ее плоское тригональное строение с углами около 120°. Атом кислорода в гидроксильной группе спиртов находится в $sp^3$-гибридизации, что приводит к угловому (неплоскому) строению фрагмента C-O-H с валентным углом около 109°.

2. Тип химических связей: Альдегидная группа содержит двойную связь C=O, которая включает одну $\sigma$- и одну $\pi$-связь. Наличие $\pi$-связи является фундаментальным отличием. Функциональная группа спиртов содержит только одинарные $\sigma$-связи (C-O и O-H).

3. Электронное строение: Наличие подвижной $\pi$-электронной системы и сильная поляризация связи C=O делают альдегидную группу высокореакционной, в частности, склонной к реакциям нуклеофильного присоединения по атому углерода. В спиртах реакционными центрами являются полярная связь O-H (проявляет кислотные свойства) и неподеленные пары электронов на атоме кислорода (проявляет основные и нуклеофильные свойства).

Ответ: Функциональная группа альдегидов (-CHO) имеет плоское строение, обусловленное $sp^2$-гибридизацией атома углерода, который связан с атомом кислорода двойной связью (одна $\sigma$- и одна $\pi$-связь). Функциональная группа спиртов (-OH), напротив, имеет угловое строение, так как атом кислорода находится в состоянии $sp^3$-гибридизации и образует только одинарные $\sigma$-связи. Таким образом, их строение кардинально отличается типом гибридизации ключевого атома (углерода в альдегидах и кислорода в спиртах), наличием кратной ($\pi$-) связи и, как следствие, геометрией и распределением электронной плотности.